보청기 감도와 안정성을 향상시키는 고급 MEMS 마이크

인구 고령화와 환경 소음 노출 증가라는 맥락에서 청력 건강은 그 어느 때보다 중요합니다. 사람들은 더 작고, 더 전력 효율적이며, 더 높은 음질의 보청기를 찾고 있으며, MEMS 마이크는 이러한 기대를 충족할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.

세계 보건 기구(WHO)에 따르면 세계 인구의 5% 이상(4억 6600만 명)이 청각 장애를 갖고 있으며 9억 명 이상(10명 중 1명)이 2050년까지 장애 난청을 앓을 것으로 예상됩니다. 난청 장애란 성인의 청력이 좋은 귀에서 40dB 이상, 어린이의 청력이 좋은 귀에서 30dB 이상을 의미합니다.

당연히 전 세계 보청기 시장은 2019년에서 2023년까지 6.4%의 복합 연간 성장률로 2023년에 76억 2천만 달러에 이를 것으로 추정됩니다. 이 시장은 보청기, 인공 와우, 골전도 시스템 및 진단으로 구성됩니다. 악기.

보청기는 소리를 감지하여 사용자를 위해 소리를 증폭시키며 이를 위해서는 마이크가 필요합니다. 기존의 일렉트릿 콘덴서 마이크는 오랫동안 보청기에서 가장 많이 사용되는 마이크였지만 MEMS(Micro-Electromechanical Systems)가 이를 대체하고 있습니다.

IHS Markit의 MEMS 및 센서 수석 분석가인 Manuel Tagliavini는 Electronic Products에 "MEMS 마이크는 보청기와 같은 최종 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션이 되는 몇 가지 장점이 있습니다."라고 말했습니다. .

MEMS 마이크는 입자 침입에 대한 민감도가 낮은 매우 안정적이고 견고한 설계를 제공합니다. 시장을 선도하는 감도 대 크기 비율을 제공하는 초소형 풋프린트; 최적의 전기 음향 성능을 제공하는 기술 발전은 물론 프로그래밍 가능한 집적 회로를 통해 매우 다양하고 조정 가능한 설계를 제공합니다.

그는 "1세대 청력 건강 MEMS 마이크가 시장에 출시된 지 불과 5년밖에 되지 않았기 때문에 2020년에는 MEMS 마이크가 청력 건강 시장에서 사용되는 마이크의 절반 이상을 차지할 것으로 예상합니다"라고 덧붙였습니다.

모바일 핸드셋, 스마트 스피커, 이어폰과 비교할 수 없을지라도 보청기에 사용되는 MEMS 마이크 시장은 빠르게 성장하고 있습니다. 최신 IHS Markit 예측에 따르면 예측 기간 동안 42%의 CAGR로 2017년 800만 달러에서 2022년 4800만 달러로 증가할 것입니다.

MEMS 기술은 이제 의료 등급 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 성숙했습니다. Tagliavini는 "주로 소비자 전자 제품 및 무선 시장을 위해 수십억 개의 제품을 생산 및 출하한 후 의료 애플리케이션에 필요한 신뢰성에 도달했습니다."라고 말했습니다.

“또한 MEMS 마이크 공급업체는 지난 몇 년 동안 스마트폰 및 이어버드와 같은 애플리케이션의 제품 크기, 전력 소비 및 가격을 개선하는 데 있어 우수한 전문 지식을 얻었습니다. 이러한 요구 사항, 특히 크기와 전력 소비는 보청기에 의해 공유됩니다.”라고 덧붙였습니다.

Tagliavini는 MEMS 마이크에서 볼 수 있는 가장 최근의 개발이 음성 인식 기능 및 스마트 스피커의 주요 기능과 연결되어 있지만 다른 부문에서도 빠르게 성장하고 있다고 말했습니다. “개선 사항은 빔포밍 및 원거리 감지를 가능하게 하는 마이크 어레이와 함께 센서 측면뿐만 아니라 소프트웨어 측면[알고리즘]에서도 이루어집니다. 오늘날에는 다양한 종류의 소리[사람의 목소리, 배경 소음 등]를 분류하고 가장 적절한 방식으로 증폭하거나 감쇠하는 것이 가능합니다.”

처음에 소비자 전자 제품을 대상으로 한 이러한 개선 사항은 특히 보청기 장치에 적합합니다.

1990년대 후반에 MEMS 마이크로폰 개발을 시작한 Knowles는 이제 3세대 및 4세대 청력 건강 MEMS 마이크로폰을 제공하여 고객의 계속 높아지는 전기 음향 기대치를 충족시키려는 야심을 가지고 있습니다. 저전력, 소형 공간이라고 Knapp은 말했습니다. "보청기 미학의 중요성이 커짐에 따라 고객은 산업 디자인의 창의성을 가능하게 하는 더 작은 구성 요소 풋프린트를 원합니다."

Knowles는 70.5dB 신호 대 잡음비(SNR) 및 121dB 음압 레벨을 통해 자사의 3세대 MM20 플랫폼이 "시장에서 가장 낮은 잡음, 가장 높은 SNR 크기 비율"이라고 주장합니다. 음향 센서, 저잡음 입력 버퍼 및 출력 증폭기로 구성됩니다. 이러한 장치는 우수한 광대역 오디오 성능과 RF 내성이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

Knowles의 4세대 청력 건강 MEMS 마이크인 MM25 플랫폼은 프로그래머블 ASIC을 사용하여 고성능 빔포밍 및 마이크 페어링을 허용하는 저잡음 플랫폼의 최적화와 높은 다용성을 달성했다고 Knapp이 말했습니다. MM25는 18µA ~ 31µA 사이의 초저전력 전류에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다.

Knowles는 MEMS 기술의 지속적인 발전이 확장된 전압/전류 범위 및 새로운 애플리케이션을 허용하는 동시에 보청기 제조업체의 전기 음향을 지속적으로 개선할 수 있는 청력 건강 마이크에 대한 새로운 기능을 가져올 것이라고 말했습니다.

Knowles의 최신 청력 건강 MEMS 마이크는 계속해서 크기가 줄어들고 있습니다. (이미지:Knowles Corp.)

대서양 반대편에서 Sonion a/s 보청기, 인이어 모니터, 이어폰 및 히어러블을 위한 미세 음향 및 미세 기계 기술을 설계합니다. "보청기 MEMS 마이크는 MEMS가 습도 및 온도와 같은 환경 조건에 덜 민감하다는 점에서 일렉트릿 마이크와 차별화되며 설계에서는 와이어 및 손 납땜을 사용하지 않고 PCB에서 직접 리플로우할 수 있습니다." Sonion의 핵심 계정 관리자인 Erik Dashorst가 말했습니다.

덴마크에 기반을 둔 회사는 TDK-InvenSense와 공동 개발한 O-시리즈 MEMS 마이크를 8mm ³ 의 두 가지 소형 폼 팩터로 제공합니다. 및 11mm ³ (용량). 주요 사양에는 31μA의 평균 전류, -37dB 1V/Pa ~ -38dB 1V/Pa의 감도, 26dB ~ 28.5dB의 노이즈 레벨이 포함됩니다.

Dashorst는 회사의 최신 P 시리즈가 "SNR이 향상되었으며 더 높은 감도와 매우 낮은 전력 소비를 제공합니다"라고 주장했습니다. 감도 범위는 -35.5~-38dB 1V/Pa, 소음 수준은 24.5dB~25dB, 배터리 소모는 31µA~32µA입니다.

P-시리즈는 외부 광원에 둔감하다는 점에서 차별화된다고 Dashorst는 말했습니다. “반도체의 경우 작동하려면 약간의 도핑이 필요합니다. 즉, 특정 유형의 n-도핑 또는 p-도핑이 있으면 빛에 반응할 수 있습니다. 이것이 LED가 작동하는 방식이지만 그 반대입니다. 우리는 빛에 반응하지 않는 방식으로 MEMS를 만듭니다.”

패키지 부피, 8.2mm ³ , “비교적 작지만 현재로서는 우선순위가 아닙니다. 작게 하면 소음이 커지고, 소음을 높이면 제품을 더 이상 사용할 수 없게 됩니다.”라고 Dashorst가 덧붙였습니다.

Sonion은 곧 출시될 Q-시리즈가 평평한 응답 곡선과 왜곡 없이 제공된다고 말했습니다(상호변조 왜곡 또는 IMD는 10% 미만). "P 시리즈의 응답 곡선을 보면 10Hz 부근에서 응답의 피크를 볼 수 있습니다."라고 Dashorst가 말했습니다. "이 피크는 이상적이지 않습니다. 해당 주파수로 들어오는 모든 소리가 평소와 비교하여 증폭되기 때문입니다."

이를 방지하기 위해 "특히 저역 통과 필터를 사용하는 경우 해당 주파수에 대한 응답을 낮추기 위해 회로에 약간의 저항을 가합니다."라고 그는 말했습니다. Q-시리즈의 경우 Sonion은 "저역 통과 필터에서 발생하는 노이즈를 추가하지 않고" 감쇠 응답 곡선을 관리했다고 Dashorst가 말했습니다.

Q-시리즈는 또한 -35.5dB 1V/Pa ~ -37.0dB 1V/Pa 범위의 감도를 제공하는 반면, 설치 공간 및 두께는 P-시리즈 및 O-시리즈(3.35 x 2.50mm)와 유사합니다.

실험실

시중에서 판매되는 대부분의 보청기는 마이크를 사용하여 외부 음장을 캡처합니다. 그러나 이러한 마이크는 일반적으로 외부 요소에 위치하기 때문에 불편함을 유발하거나 스포츠 활동을 제한하거나 사회적 낙인을 유발할 수 있습니다. 이식이 용이하고 고감도의 이식 가능한 청각 장치에 대한 긴급한 요구가 있습니다. 취리히 대학교와 벨기에 Cochlear Technology Center는 작년에 완전 이식형 인공 와우(TICI)를 위한 MEMS 콘덴서 마이크 기반 음향 수신기를 개발 중이라고 발표했습니다.

ams AG는 이명을 치료하는 방법을 연구하고 있으며 환경 소음을 사용하여 새로운 치료법을 개발하고 있습니다. (이미지:ams AG)

미국 음향학회(Acoustic Society of America)에서 발표한 논문에 따르면 이식형 마이크는 소위 와우내 음향 수신기(ICAR)라고 불리는 외이 및 중이 사슬에 의해 유도되는 와우(내이)의 압력 변동을 측정합니다. ICAR은 귀 해부학의 증폭 및 방향 신호의 이점을 얻습니다.

또한 연구 분야에서 ams AG 이명을 치료하는 새로운 방법을 연구하고 있습니다. 이명은 정상적인 노화나 큰 소음 노출과 같은 내이 손상으로 인한 청력 상실과 관련이 있는 지속적인 울리는 소리, 윙윙거리는 소리 또는 윙윙거리는 소리에 대한 인식입니다. 인구의 약 15%에서 20%에 영향을 미칩니다.

오스트리아에 기반을 둔 회사는 환경 소음을 사용하여 이명 치료법을 개발했다고 말했습니다. 기본적으로 액티브 노이즈 캔슬링을 위해 ams 하드웨어를 사용하고 환경 노이즈를 개인화된 이명 훈련 신호로 처리합니다.

“이 요법은 매우 효과적인 것으로 입증되었으며 이명 환자가 더 자주 사용할수록 이명이 낮아집니다. 이 치료법은 긍정적인 장기적 효과가 있습니다.” ams AG의 R&D 수석 부사장인 Verena Vescoli는 최근 Grenoble에서 열린 MEMS &Image Sensors Summit에서 말했습니다.

MEMS 마이크는 몇 가지 장점 덕분에 보청기의 기존 일렉트릿 콘덴서 마이크를 점점 더 많이 대체하고 있습니다. 여기에는 입자 침투에 대한 낮은 민감도, 작은 패키지 크기 및 고성능을 갖춘 안정적이고 견고한 설계가 포함되며, 연구실에서 계속 발전하고 있습니다.